本发明属于通信，涉及一种复介电常数提取方法。
背景技术：
1、近几年来，第五代(thefifthgeneration,5g)移动通信系统的规模化商业部署，极大地推动了相关产业的数字化进程。为满足日益增长的数据量需求，太赫兹通信技术应运而生。同时亚太赫兹作为太赫兹的低频频段，其频率范围为100～300ghz，目前是研究的热点候选频段之一。但由于亚太赫兹波在自由空间中的路径损耗很大，并且受大气分子吸收效应明显，其有效传播距离被限制在数十米或数百米，因此亚太赫兹通信更适用于会议室、办公楼等小型室内热点区域。设计面向6g的亚太赫兹室内超宽带高速无线通信系统，需要对亚太赫兹的室内信道特性进行全面的分析和表征。由于室内环境的复杂性，亚太赫兹波将与各种建筑材料发生相互作用，产生的反射、透射、散射和绕射等机制将形成多径传播效应，致使亚太赫兹信道呈现时-频-空全域多维复杂特性，增加了信道建模难度。因此，需要对建筑材料与亚太赫兹波的相互作用机理进行深入研究，掌握各种建筑材料引起的亚太赫兹传播特性。
2、当前许多建筑材料在亚太赫兹频段的电磁特性研究相对不足。一方面，现有的的建筑材料复介电常数的测量活动相对较少，导致一些材料在亚太赫兹频段的电磁参数尚不明确；另一方面，一些在低频段下适用的介电常数提取方法，到了亚太赫兹频段可能会具有一定的局限性。然而，明确亚太赫兹频段建筑材料的电磁特性对亚太赫兹信道建模至关重要，因此，有必要研究一种适用于亚太赫兹频段的复介电常数提取方法。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种复介电常数提取方法。首先，基于主次反射径分离方法从测量的反射系数中提取一阶反射系数；然后，利用水平极化和垂直极化下的菲涅尔反射模型与提取的一阶反射系数构建拟合误差函数，并进行优化得到相对介电常数的最佳估计值；最后，利用透射系数和相对介电常数计算材料的损耗角正切。
2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、一种复介电常数提取方法，该方法包括以下步骤：
4、步骤一：基于主次反射径分离方法构建测量的反射系数与一阶反射系数的关系；
5、步骤二：构建反射系数测量值与理论值之间的拟合误差函数，并用列文伯格-马夸尔特(levenberg-marquardt,lm)算法进行求解，提取出测量值中的一阶反射系数；
6、步骤三：利用水平极化和垂直极化下的菲涅尔反射模型与提取的一阶反射系数构建拟合误差函数，并进行优化得到相对介电常数的最佳估计值；
7、步骤四：利用透射系数和相对介电常数计算材料的损耗角正切；
8、步骤五：利用feko软件仿真验证结果准确性；
9、步骤六：复介电常数提取结束，输出提取结果。
10、进一步，所述步骤一具体为：
11、步骤一-一：将s21定义为接收电磁波与发射电磁波的电场强度之比，对于被测材料，s21表示为：
12、
13、其中gt和gr分别代表发射机和接收机的增益，|γ|和|τ|分别为菲涅尔反射系数和透射系数，d0是电磁波从发射机入射到材料表面的距离，d1是一阶反射径的距离，d2是考虑电磁波在介质内部的波速发生改变后的二阶反射径的等效距离，并且d2＝d1+δd，λ是电磁波在自由空间中的波长，β表示材料内部的衰减损耗，ψ是附加相移；
14、步骤一-二：电磁波入射到金属板的光滑表面时发生全发射；当反射距离d0+d1与测量中los参考测量距离一致时，其s21值相等，即：
15、
16、其中，|γmetal|表示金属板的菲涅尔反射系数，近似为1，d1≈d2；
17、步骤一-三：根据双测量法原理，材料的反射系数由其s21与参考测量下s21的比值表示；平板型建筑材料的反射系数表示为：
18、
19、步骤一-四：对于式(3)，令x1＝|γ|，x2＝|γ||τ|2β，则有：
20、
21、公式(4)为平板建筑材料反射系数的理论计算公式，其中第一项x1代表待提取的一阶反射系数，第二项则为频率相关的二阶反射系数。
22、进一步，所述步骤二具体为：
23、步骤二-一：根据公式(4)，利用反射系数测量结果构造一阶反射系数拟合误差函数，误差函数表示为：
24、
25、步骤二-二：选择lm算法对公式(5)进行迭代求解；在迭代求解之前，采用基于矩估计的初始值计算方法来确定变量的初始值；对公式(4)的等号两边进行平方运算以消除根式，得到：
26、
27、步骤二-三：分别定义一阶矩和二阶矩：
28、
29、用e(·)表示期望值，δf表示测量点的频率间隔，则有：
30、
31、步骤二-四：定义变量则有：
32、
33、对式(9)变形，得到然后联立式(8)，得到：
34、
35、其中，
36、步骤二-五：在确定x1和x2的初始值之后，将其代入公式(5)；拟合误差函数只含有两个待优化变量δd和ψ，然后采用量子粒子群优化算法来搜索使误差函数最小时的δd和ψ，确定这四个变量的初始值；
37、步骤二-六：所有变量的初始值确定之后，通过lm算法对公式(5)进行迭代求解，从反射系数的测量结果中提取得到x1，即为测量材料的一阶反射系数。
38、进一步，所述步骤三具体为：
39、步骤三-一：基于非线性拟合方法，在水平极化和垂直极化下对一阶反射系数的理论值和测量值进行联合估计；将拟合误差定义为两种极化下一阶反射系数理论值和测量值之间均方误差的累计值，即
40、
41、其中，na为测量角度的数量，i为测量角度序号，γcal表示菲涅尔模型计算的一阶反射系数理论值，x1表示提取出的一阶反射系数测量值；
42、步骤三-二：在误差函数(11)中，仅存在εr一个待优化变量，通过穷举法遍历εr的取值，并将mse最小时所对应的εr视为最佳估计的相对介电常数。
43、进一步，所述步骤四具体为：
44、步骤四-一：当电磁波垂直入射平板材料时，会经历空气与介质分界面处的菲涅尔透射以及介质内部的损耗；在高频段忽略内部的高阶透射径；假设测量材料为单层均匀介质，0°入射角时的透射系数近似表示为：
45、
46、其中，η表示材料的复介电常数，且η＝εr(1-jtanδ)，tanδ为损耗角正切，dm表示材料厚度，τair-mut和τmut-air分别是电磁波从自由空间垂直进入介质和从介质内部进入自由空间时的菲涅尔透射系数，表示为：
47、
48、步骤四-二：引入复折射率n1以简化计算，其实部和虚部满足：
49、
50、步骤四-三：根据式(12)(13)(14)，计算损耗角正切：
51、
52、其中，
53、
54、进一步，所述步骤五具体为：
55、步骤五-一：在feko软件中构建3d仿真模型；亚太赫兹平面波以角度θi入射至材料的光滑表面，其中一部分电磁波在角度θr处发生镜面反射，另一部分透射穿过材料；
56、步骤五-二：进行两组仿真，频率分别设定在129.5～135ghz和282～290ghz，与实际测量的频率保持一致；第一组仿真中，材料的相对介电常数和损耗角正切值被设为5.0和0.03；第二组仿真中这两个参数分别被设为5.0和0.01；其他参数都保持一致；
57、步骤五-三：利用提出的方法从仿真数据中提取出材料的复介电常数，并将提取结果与预设值进行对比，根据二者之间的相对误差来评估提出方法的准确性。
58、本发明的有益效果在于：能够在亚太赫兹频段下，利用一阶反射系数对建筑材料的复介电常数进行提取。其中利用一阶反射系数提取相对介电常数，克服现有复介电常数方法提取结果存在多值的问题；通过水平极化与垂直极化结合，提高了复介电常数提取精度。利用feko软件进行仿真，验证了提出方法的准确性，该方法提取复介电常数的相对误差小于0.8％。
59、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
1.一种复介电常数提取方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种复介电常数提取方法，其特征在于：所述步骤一具体为：
3.根据权利要求1所述的一种复介电常数提取方法，其特征在于：所述步骤二具体为：
4.根据权利要求1所述的一种复介电常数提取方法，其特征在于：所述步骤三具体为：
5.根据权利要求1所述的一种复介电常数提取方法，其特征在于：所述步骤四具体为：
6.根据权利要求1所述的一种复介电常数提取方法，其特征在于：所述步骤五具体为：
